電子鼻

　　電子鼻

　　電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應圖案來識別氣味的電子系統(tǒng)，它可以在幾小時、幾天甚至數(shù)月的時間內連續(xù)地、實時地監(jiān)測特定位置的氣味狀況。

　　電子鼻主要由氣味取樣操作器、氣體傳感器陣列和信號處理系統(tǒng)三種功能器件組成。電子鼻識別氣味的主要機理是在陣列中的每個傳感器對被測氣體都有不同的靈敏度，例如，一號氣體可在某個傳感器上產生高響應，而對其他傳感器則是低響應，同樣，二號氣體產生高響應的傳感器對一號氣體則不敏感，歸根結底，整個傳感器陣列對不同氣體的響應圖案是不同的，正是這種區(qū)別，才使系統(tǒng)能根據傳感器的響應圖案來識別氣味。

　　電子鼻的核心器件是氣體傳感器。氣體傳感器根據原理的不同，可以分為金屬氧化物型、電化學型、導電聚合物型、質量型、光離子化型等很多類型。目前應用最廣泛的是金屬氧化物型。

　　電子鼻的應用場合包括環(huán)境監(jiān)測、產品質量檢測（如食品、煙草、發(fā)酵產品、香精香料等）、醫(yī)學診斷、爆炸物檢測等。

　　工作原理

　　電子鼻主要由氣敏傳感器陣列、信號預處理和模式識別三部分組成。某種氣味呈現(xiàn)在一種活性材料的傳感器面前，傳感器將化學輸入轉換成電信號，由多個傳感器對一種氣味的響應便構成了傳感器陣列對該氣味的響應譜。顯然，氣味中的各種化學成分均會與敏感材料發(fā)生作用，所以這種響應譜為該氣味的廣譜響應譜。為實現(xiàn)對氣味的定性或定量分析，必須將傳感器的信號進行適當?shù)念A處理(消除噪聲、特征提取、信號放大等)后采用合適的模式識別分析方法對其進行處理。理論上，每種氣味都會有它的特征響應譜，根據其特征響應譜可區(qū)分小同的氣味。同時還可利用氣敏傳感器構成陣列對多種氣體的交叉敏感性進行測量，通過適當?shù)姆治龇椒ǎ瑢崿F(xiàn)混合氣體分析。

　　電子鼻正是利用各個氣敏器件對復雜成分氣體都有響應卻又互不相同這一特點，借助數(shù)據處理方法對多種氣味進行識別，從而對氣味質量進行分析與評定。

　　電子鼻識別的主要機理是在陣列中的每個傳感器對被測氣體都有不同的靈敏度，例如，一號氣體可在某個傳感器上產生高響應，而對其他傳感器則是低響應；同樣，二號氣體產生高響應的傳感器對一號氣體則不敏感，歸根結底，整個傳感器陣列對不同氣體的響應圖案是不同的，正是這種區(qū)別，才使系統(tǒng)能根據傳感器的響應圖案來識別氣體。

　　電子鼻的工作可簡單歸納為：傳感器陣列－信號預處理－神經網絡和各種算法－計算機識別(氣體定性定量分析）。從功能上講，氣體傳感器陣列相當于生物嗅覺系統(tǒng)中的大量嗅感受器細胞，神經網絡和計算機識別相當于生物的大腦，其余部分則相當于嗅神經信號傳遞系統(tǒng)。

　　發(fā)展簡史

　　1964年，Wilkens和Hatman利用氣體在電極上的氧化一還原反應對嗅覺過程進行了電子模擬，這是關于電子鼻的最早報道。

　　1965年，Buck等利用金屬和半導體電導的變化對氣體進行了測量，Dravieks等則利用接觸電勢的變化實現(xiàn)了氣體的測量。

　　然而，作為氣體分類用的智能化學傳感器陣列的概念直到1982年由英國Warwick大學的Persuad等人提出，他們的電子鼻系統(tǒng)包括氣敏傳感器陣列和模式識別系統(tǒng)兩部分。其中傳感器陣列部分山三個半導體氣敏傳感器組成。這一簡單的系統(tǒng)可以分辨按樹腦、玫瑰油、丁香牙油等揮發(fā)性化學物質的氣味。隨后的5年，電子鼻研究并沒有引起國際上學術界的廣泛重視。

　　1987年，在英國Warwick大學召開的第八屆歐洲化學傳感研究組織年會是電子鼻研究的轉機。在本次會議上，以Gardner為首的Warwick大學氣敏傳感研究小組發(fā)表了傳感器在氣體測量方而應用的論文，重點提出了模式識別的概念，引起了學術界廣泛的興趣。

　　1989年，北大西洋公約研究組織專門召開了化學傳感器信息處理高級專題討論會，致力于人工嗅覺及其系統(tǒng)設計這兩個專題。1991年8月，北大西洋公約研究組織在冰島召

　　開了第一次電子鼻專題會議。電子鼻研究從此得到快速發(fā)展。

　　1994年，Gardne:發(fā)表了關于電子鼻的綜述性文章，正式提出了“電子鼻”的概念，標志著電子鼻技術進入到成熟、發(fā)展階段。

　　1994年以來，歷經十余年的發(fā)展，電子鼻的研究取得了突飛猛進的進展。目前對于電子鼻的研究主要集中在傳感器及電子鼻硬件的設計、模式識別及其理論、電子鼻在食品、農業(yè)、醫(yī)藥、生物領域的應用、電子鼻與生物系統(tǒng)的關系等方而。其中傳感器及電子鼻硬件的設計和電子鼻在食品及農業(yè)領域的應用是電子鼻研究中的熱點。

　　研究進展

　　英國柴郡克魯城鎮(zhèn)的歐斯米泰克公司成功地開發(fā)出了電子鼻，試驗表明，它能“嗅”出侵蝕病人皮膚傷口的細菌，提醒醫(yī)生及時采取相應措施。

　　他研究的電子鼻是由32個不同的有機高分子感應器組成的矩陣，對各種揮發(fā)性化合物散發(fā)的氣味十分敏感，化合物不同，則反應不同。通常，細菌生長時會發(fā)出化學氣味，電子鼻接觸氣味后，每個感應器的電阻會各自發(fā)生變化。由于每個感應器對應一種不同的化學物質，因此32種各不相同的電阻變化組成的“格式”便分別代表了不同氣味的“指紋”。

　　試驗表明，電子鼻只需要數(shù)小時便可發(fā)現(xiàn)是否有細菌存在。而過去采用實驗室化驗的方法，通常1至3天才能得到結果。

　　應用

　　研究人員相信電子鼻將可能對尋找傷口MRSA和其他細菌的方式帶來革命性變化。MRSA是指這樣一類細菌，它們對日益普及的抗生素療法具有抵抗能力。此外，電子鼻技術還可以用于檢查其他部位的感染，幫助病人早發(fā)現(xiàn)，早治療。

　　在1993年，Pearce等人就首次把傳感器應用在啤酒檢測上，實驗室制造的由12個有機導電聚合物傳感器組成的系統(tǒng)檢測了3種近似的商品酒，有2種是釀造后再貯存的啤酒，還有1種是淡色啤酒，結果表明：這3種啤酒很容易被鑒別，而且還很快鑒別出一種人為感染的啤酒和未被感染的酒。

　　特點

　　電子鼻技術響應時間短、檢測速度快，不像其它儀器，如氣相色譜傳感器、高效液相色譜傳感器需要復雜的預處理過程；其測定評估范圍廣，它可以檢測各種不同種類的食品；并且能避免人為誤差，重復性好；還能檢測一些人鼻不能夠檢測的氣體，如毒氣或一些刺激性氣體，它在許多領域尤其是食品行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用。并且目前在圖形認知設備的幫助下，其特異性大大提高，傳感器材料的發(fā)展也促進了其重復性的提高，并且隨著生物芯片、生物技術的發(fā)展和集成化技術的提高及一些納米材料的應用，電子鼻將會有更廣闊的應用前景。

　　其它

　　研究發(fā)現(xiàn)，美國航天局用來監(jiān)測國際空間站和航天飛機內某種氣體成分的電子鼻，還可以用來檢測大腦癌細胞。這種名為“Enose”的電子鼻是由美國航天局噴氣推進實驗室研發(fā)的，設計目的是用它探測航天飛機和國際空間站出現(xiàn)的微量的氨滲漏問題。一個由神經外科、癌癥以及航天領域專家組成的研究小組，在利用這種電子鼻研究大腦癌細胞轉移時發(fā)現(xiàn)，電子鼻能夠區(qū)分健康細胞和癌細胞的不同“味道”，從而使醫(yī)務人員能準確判定癌細胞群的具體位置，避免其與周圍健康細胞發(fā)生混淆。

　　檢測癌癥

　　以色列科學家研發(fā)出“電子鼻”（electronic nose），只要通過簡單的呼吸測試，就可以查出罹患了肺、乳腺、腸和前列腺癌的病人。研究小組發(fā)現(xiàn)，這種檢測化學物質改變的傳感器不僅能分辨出健康人和惡性腫瘤病患的呼吸，還能查出這四種常見的腫瘤。雖然還需要更多工作來完善這項檢測技術，但初步成功已經給開發(fā)一種便宜、易于使用和攜帶的早期癌癥診斷技術帶來了希望。以色列理工學院的庫藤說：“如果能通過大規(guī)模試驗證實早期研究的成果，呼吸檢測將和成像技術一樣，變成早期癌癥診斷的方便手段。”庫藤和同事對177人——包括健康者和不同癌癥的患者進行了呼吸檢測，要查出癌細胞生長時其表層散發(fā)出的不同化學物質。他們的研究發(fā)表在英國《癌癥》雜志上。而該研究所去年就發(fā)現(xiàn)，用黃金納米粒子制造的傳感器，能夠通過呼吸測試查出肺癌